Отношения в мире молекул

То, что вода безмерно важна для нас, знает, наверное, каждый. Мы примерно на 2/3 состоим из воды, и жизнь каждой живой клетки от бактерий до человеческих клеток возможна только в присутствии воды. Без воды долго не проживёшь.

Более того, жизнь зародилась вследствие особых свойств воды. Я расскажу об одном из важнейших. Молекула воды H2O – очень маленькая и очень полярная. Дело в том, что кислород очень любит электроны и перетягивает их на себя как одеяло, а водороды оказываются «раздетыми». В результате выходит, что на атоме кислорода скапливается отрицательный заряд (примерно минус полтора электрона), а на водородах – положительный. Именно этот эффект поляризации (образования полюсов) лежит в основе большинства удивительных свойств воды.

Электрические заряды очень сильно взаимодействуют друг с другом: одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются. Каждая молекула воды липнет к четырём соседям: водороды прилипают к кислородам соседних молекул, а к кислородам липнут соседние водороды. В жидкой воде образуется «сетка водородных связей», она становится очень связной: у неё большое поверхностное натяжение (трудно растянуть), высокая температура кипения (трудно нагреванием разорвать все связи, чтобы сделать из жидкости газ).

Связей на единицу массы очень много. Из-за полярности (разделения зарядов) у воды выбор отношений очень пристрастный. Вода «любит» вещества с разделением зарядов (потому что свои заряды притягиваются к ним) – оксиды, и проводники – металлы. Такие вещества называются «гидрофильными». Оксиды любимы водой по тем же причинам, что полярна сама вода. В них, как правило, заряды разделены: отрицательный сидит на кислороде, положительный на окисляемых атомах. Таких веществ вокруг множество: камни и глина, стекло, цемент – это оксиды металлов и кремния. Металлы обычно проводят ток, в них часть электронов движется свободно. Из-за этого они могут притягивать электрические заряды: когда любой заряд приближается к поверхности, электроны либо сгущаются либо разбегается и образуется «пятно» заряда противоположного знака.

Из-за полярности и сильного взаимодействия с зарядами такие вещества с удовольствием смачиваются водой (гидрофильны), поэтому вода растекается на поверхности. На гидрофобных поверхностях капли воды «поджимаются».

Если молекулы неполярны, всё немного сложнее. Некоторые химические соединения и атомы не особенно любят собирать на себе заряд. Таков, например, углерод. Соединения углерода (алмаз, графит), углеводороды (масла), полистирол и тефлон (тетрафлорэтилен (−C2F4−)n) воду не любят. Для научных и инженерных целей форма капли является главным признаком гидрофильности и гидрофобности. Если угол на краю выходит острый, то материал любит воду, гидрофилен. Если угол тупой, то это гидрофобный материал.

Капля поджимается из-за того, что молекулы воды притягивают друг друга сильнее, чем их притягивает материал. Если притяжение к материалу минимально, то возникает «эффект лотоса» – шарообразные капли. Мы видим такое на листьях растений, лепестках цветов, крыльях бабочек. Эффект лотоса даёт не только красивые картинки, но выполняет важную функцию: самоочищения поверхности. Капельки воды легко скатываются с таких материалов, забирая с собой пыль и прочие загрязнения. Эти поверхности называют супергидрофобными.

Секрет их строения в том, что они утыканы микроскопическими шипами, которые уменьшают контакт воды с материалом до минимума. Капельки воды из-за поверхностного натяжения не могут протиснуться между шипами и поэтому сидят на их концах, как бы паря над поверхностью.

«Парение» капли над поверхностью, когда она катится по верхушкам шипов, называется состоянием Касси. Именно его пытаются воспроизвести в водо- и грязеотталкивающих поверхостях текстиля, мембран или твёрдых покрытий.

Лучше всего выходит, если сделать шипы или валики из гидрофобного материала. Защита от намокания и промокания не абсолютна. При большом давлении, мощной струе или толстом слое воды, воду можно продавить через текстуры. У текстиля предельное давление указано в характеристиках.

Супергидрофобная обработка способна изменить течение воды по поверхности или движение тела в воде. Слева на видео бульк обычного металлического шарика, справа – супергидрофобного. Последний расталкивает воду и создаёт воронку. Благодаря полярности, вода является одним из лучших растворителей. Она легко растворяет соли, сахара, белки, спирты, и прочее. Трудность возникает только с плотным жиром. С другой стороны, жиры легко растворяются в неполярных растворителях: маслах и спиртах. Молекулы жиров, впрочем, тоже притягиваются к молекулам воды, но из-за того что взаимное притяжение молекул воды сильнее, вода выталкивает неполярные вещества на поверхность (например, капли жира на супе).

Гидрофобные силы важны во многих процессах от разделения жидкостей до самоорганизации молекул и упаковки белков.

Самое интересное начинается, когда молекулы амфифильны – имеют и полярную и неполярную части. Тогда начинают соревноваться две противоположных тенденции – растворения и выталкивания. В результате такие молекулы собираются на поверхности раздела вода-воздух или вода-масло. Такие вещества меняют поверхностное натяжение Их называют поверхностно-активными. Таковы липиды, жирные кислоты (мыло), некоторые белки. Они сидят между двух жидкостей так, чтобы каждая часть была там, где ей комфортно: полярная в воде, неполярная – в масле или в газе.

Например, вся внутренняя поверхность альвеол – пузырьков, из которых составлены лёгкие, покрыта слоем липидов хвостами наружу.

Кстати, альвеолы наших лёгких содержат поразительные молекулярные машины, которые на каждом вдохе(!) разматывают и на выдохе сматывают «ковёр» или липидов, меняя площадь ковра вдвое! Белки (красненькие бочонки) направляют смотку-размотку.

Если белков и липидов не хватает, или они дефектные (дисфункция лёгочного сурфактанта), мы не сможем дышать, потому что растягивать каждую секунду ковёр общей площадью с футбольное поле станет непосильной задачей для организма из-за большого поверхностного натяжения воды. Молекулы амфифилы также образуют мицеллы – шарики растворимые в воде, но сами растворяющие жир, потому что их внутренность похожа на капельки масла. Это называется солюбилизацией жира. Из-за мицелл вода с мылом смывает жирное лучше, чем чистая вода.

Вода не липнет к неполярным поверхностям, поэтому гораздо легче течёт в каналах с гидрофобными стенками, как бы скользя над ними. Микрофлюидика (медицинские приборы, чипы in vitro) очень ценит такое, потому что проталкивать воду через узкие каналы довольно тяжело.

Последнее: природные материалы часто оптимизированы под оба типа отношений с водой. Например, белки (паутина, шёлк, шерсть) в среднем имеют примерно поровну (45-55%) гидрофобной и гидрофильной поверхности. Целлюлоза (вата, бумага, дерево) хорошо относится и к воде и к жиру. Амфифильные молекулы самоорганизуются не только в мицеллы, но и в двойные слои, пряча жирные хвосты от воды, и в везикулы (пузырьки). Каждая живая клетка окружена липидным бислоем, это огромная везикула с начинкой из ДНК и белков.

Зачем нужна физика?

Преподавателям физики в университете, часто приходится отвечать на вопрос интересующихся абитуриентов: ну, вот выучусь я на физика, и где буду работать? Физику учить прикольно, конечно, но это нужно хоть кому-то в реальной жизни? Давайте поговорим об относительно недавних открытиях в физике, которые кардинально поменяли нашу жизнь, создали базу для IT-революции, прогресса в технологиях. Обратите внимание на скорость внедрения передовой науки в жизнь. В большинстве случаев проходит менее 10 лет.

Школьная программа

Понятно, почему возникает вопрос. Школьная программа в основном обсуждает достижения физиков XVIII-XIX века, совсем немного XX века. Школьные эксперименты включают пружинки, маятники, игрушечные тележки, колёса, шарики, рычаги, линзы, заряженные шары, сопротивления и лампочки. Из этих экспериментов, впрочем, совершенно непонятно, чем тут заниматься профессионально. Из-за сложности современной физики, многие её разделы трудно преподавать в школе. Тем не менее и из уроков и из новостей, мы имеем смутное представление о связи технологий с физикой. Просто многое из этого было так давно, что кажется, что существовало всегда, вроде закона Архимеда. В любом случае, появилось ещё до нашего рождения. Когда мы родились электричество, свет, поезда, автомобили, самолёты, стиральные машины и станки, телефоны и даже компьютеры.

Рентгеновская томография

Один из важнейших методов медицины ковидного 2020-го – компьютерная томография (КТ), ею делают скан лёгких на пневмонию. Метод послойного исследования тканей был разработан Аланом Кормаком и Годфри Хаунсфилдом, удостоенными за него Нобелевки по физиологии и медицине в 1979. В 1963 году американский физик Кормак решил задачу томографического восстановления изображения по послойным рентгеносканам, а в 1969 году английский инженер-физик Хаунсфилд из фирмы «EMI Ltd.» сконструировал первый томограф, клинические испытания которого прошли в 1971 году.

Магнитно – резонансная томография

Другой мощный метод разглядывания наших внутренностей – магнитно-резонансная томография (МРТ) был разработан в 1973 году, за что нобелевку 2003 года по физиологии или медицине получили химик Пол Лотербур и физик Питер Мэнсфилд. Лотербур предложил метод построений изображений по отклику атомных ядер на магнитные импульсы (используя ядерный магнитный резонанс), а Мэнсфилд разработал алгоритмы получения изображения. Первый аппарат МРТ для медиков был создан в 1983 году в Британии, в 1984-м году в СССР. Надо заметить, что Владислав Иванов в СССР придумал метод ещё в 1960-м, даже подал заявку на патент, но зарегистрировано изобретение было лишь в 1984-м.

Магнитые диски

Эффект гигантского магнетосопротивления (GMR) открыли Альбер Фер (Франция) и Петер Грюнберг (Германия) в 1988 году. Эффект заключается в резком изменение сопротивления проводника при его перемагничивании. Эффект GMR настолько силён, что достаточно поменять направление намагничивания у кусочка провода толщиной в несколько нанометров, чтобы получить чёткий измеримый эффект. Это позволило увеличить плотность записи информации на жёстких дисках в тысячи раз! Первая коммерческая магнитная головка на этом эффекте был сделана в 1997 году, а сейчас большинство жёстких дисков используют эту технологию. Важно это не только для настольных компьютеров и лэптопов. Eсли вы даже заходите в интернет только с планшета или телефона, вы получаете данные из датацентров Google или Microsoft, где они хранятся на обычных жёстких дисках. Нобелевку по физике Фер и Грюнберг получили в 2007-м. Это было по сути, первым массовым применением нанотехнологии и основой для IT революции.

Оптоволоконная связь и цифровое фото

Нобелевка по физике 2009 года присуждена британцу Чарльзу Као за прорыв в изготовлении оптоволокна для связи, канадцу Вилларду Бойлу и американцу Джоржу Смиту, работавшим в Bell Labs в США за изобретение CCD (ПЗС) сенсора, который нынче используется для цифровой фотографии. Као придумал как сделать оптическое волокно уникальной чистоты, достаточной, чтобы луч света в нём не рассеивался и через сотни километров. Его работа вышла в 1969-м, а уже в 1975-м в Великобритании была проложена первая оптоволоконная линия связи, а затем в США и Японии.

Открытие Бойла и Смита (1969) изначально предназначалось для хранения данных с помощью полупроводниковых ячеек, способных накапливать заряд. Однако они обнаружили, что полупроводники реагируют на свет, и заряд ячейки зависит от количества падающего света,что можно было использовать для цифровой фотографии. В 1975-м Кодак сделал первую CCD-камеру с матрицей 100×100. В это же время Кадзуо Ивама из компании Sony стал активно заниматься CCD, вложив в это крупные средства, благодаря чему мы все теперь имеем цифровые камеры.

Плоские экраны

Ещё 30 лет назад жидкокристаллические (ЖК) дисплеи были относительной редкостью, но теперь в каждом доме есть как минимум десяток таковых. Жидкие кристаллы были открыты в ещё в XIX веке, но важнейшее открытие было сделано в 1927 году российским физиком Всеволодом Фредериксом. Им был открыт эффект закручивания ориентации молекул в жидком кристалле под влиянием внешнего поля, из-за которого меняется оптические свойства ЖК ячейки (например, она становится непрозрачной). Переход Фредерикса ныне широко используется в ЖК дисплеях. Далее над устройствами работали химики, физики, и инженеры, улучшая материалы, подсветку и системы электрическое управления ячейками. В 1964 году Джордж Хейлмейер создал первый ЖК-дисплей. В 1973 году Sharp выпустила первый ЖК-калькулятор. Потом такие дисплеи стали использоваться в электронных часах, калькуляторах, измерительных приборах, появились матричные дисплеи, воспроизводящие чёрно-белое изображение. В 1970 году швейцарцы открыли TN-эффект, который позволил сделать цветные ЖК экраны. В 1987 году компания Sharp разработала первый цветной ЖК дисплей диагональю 3 дюйма, в 1988 — первый в мире 14-дюймовый цветной TFT LCD. Сейчас, основным производителем материала для дисплеев (собственно жидких кристаллов) является компания Merck, а время от синтеза нового материала до запуска серийного производства дисплеев с ним составляет менее года!

Графен

Нобелевку по физике 2010 г. получили Андрей Гейм и Константин Новосёлов, выпускники МФТИ, работавшие в Нидерландах и Великобритании за остроумный способ получения графена. Они буквально последовательно разделяли графит (тот, что в грифелях простых карандашей) на слои скотчем. Графен – уникальный материал. Это двумерная плёнка толщиной в один атом, но проводящая электрический ток и поэтому видимая невооружённым глазом, хотя и прозрачная. Слои графена гибки, но прочны (в пересчёте на массу в 200 раз прочнее стали). Графен пока не вошёл в нашу ежедневную жизнь, но скоро это случится. Ежегодно регистрируются десятки тысяч патентов устройств с использованием графена: больше всех Китай, затем США, Великобритания и Япония. Устройства включают электронику, сенсоры, фильтры, умные материалы. Еврокомиссия финансирует графеновый научный суперпроект объёмом в миллиард евро, сотни миллионов долларов расходуются на НИОКР Китаем, США, Кореей и Японией. Так что ждём новых технологических прорывов!

Фотосинтез

Если подходить к определению упрощенно, то фотосинтез — это превращение энергии света в энергию сложных химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов. У зеленых растений фотосинтез происходит в хлоропластах.

Хлоропласт

φῶς — «свет» и σύνθεσις — «соединение», «складывание», «связывание», «синтез») — сложный химический процесс преобразования энергии видимого света (в некоторых случаях инфракрасного излучения) в энергию химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений.

Схема фотосинтеза

Фотосинтез — это процесс, благодаря которому существует большинство живых организмов на нашей планете. Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа ( CO 2 ) и воды ( H 2 O ), протекающий с использованием солнечной энергии.

Результат фотосинтеза

  •  При фотосинтезе образуются органические вещества, которые служат пищей для живых организмов.
  • При фотосинтезе выделяется свободный кислород, который нужен живым организмам для дыхания.
  • Фотосинтез обеспечивает постоянство уровня CO2 и O2 в атмосфере.
  • В верхних слоях воздушной оболочки Земли из кислорода образуется озон, из которого формируется защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от опасного для жизни воздействия ультрафиолетового излучения.

Войти в айти

В интернетах опять стали много говорить про зарплаты в айти (IT), выскажу свое принципиально важное мнение про то, что айти (IT) – не для всех. Спойлер: для всех, но есть нюанс. Начну с утверждения, что такие зарплаты несправедливы: врачи, инженеры – строители тратят много времени, а им мало платят. Во-первых, платят (может меньше чем в айти (IT), но все же больше, чем простым работягам). Естественно, не в государственных учреждениях. Во-вторых, есть тот самый нюанс. Это невероятно, сверхестественно как сложно. Да, врачам тоже сложно, но это разные сложности. Для врача или строителя обучение строится на уже понятных абстракциях. У каждого человека есть понимание что такое тело, или что такое  дом. В нашем же веку пришло айти (IT), со своими кодами, байтами, доменами, классами, наследованием, и т.д. Это абстракция, с которой мы не знакомимся, познавая окружающий мир естественным путём в процессе жизни. Для нее нужно намеренно и осознанно делать усилия в сторону ее изучения. Думаю, никто не будет спорить на счет того, что обычный человек приблизительно представляет себе, как работает его тело. Может не всегда правильно, но в целом концепцию понимает. Так же и с домами или любыми другими атрибутами “обычных” профессий. Спроси обычного человека как работает сайт или программа и он не ответит. Для него «айти» это черная коробка, где с одной стороны программист,  а с другой результат его жизнедеятельности, он не представляет концепции ПО. Что у нас есть фронт, бэк, апи (API), оно туда-сюда обращается и т.д. Знакомая девушка мне задала вопрос:

-“А вот как инстаграм понимает, что мне показывать”. Я хоть такую логику не писал, но знаю общую концепцию. Ровно так же и объяснил на пальцах, как и представитель другой профессии. Собственно, отсюда и вытекает сложность, а из нее вытекает большая зарплата. Пройдет какое-то время, и наши условные внуки будут воспринимать эту концепцию, как и остальные. Тогда профессия программиста не будет отличаться от других. У них не будет этой сложности, когда нужно сначала понять абстракцию. Кто не понял, сложность порождает дефицит и отток кадров их отрасли. Представим, что у нас есть потребность нанять 100 «сеньоров». В условную воронку попадает 10000 «трейни». Из-за того, что эта профессия новая, она сложная, и никто не знает, как работать правильно. Ни менеджеры, ни «эйчар», ни те самые программисты, поэтому наступает кризис. Мы, конечно, все постепенно учимся, есть какие-то общие практики. Но будем честны, в условные десятки тысяч “рога и копыта” требуется больше людей чем в Яндекс, Сбербанк, и прочие. Не все еще умеют правильно работать, отсюда и отток. Как по естественным причинам, так и от выгорания. Так, вернёмся к нашим сеньорам. Пока все эти «трейни» пройдут этот путь, половина из сеньоров постареют, выгорят, заработают денег и их нам станет нужно уже 200. А из этих 10000 «трейни», к нам дошло только 100 сеньоров. Потому, что сложно, потому что не понравилось, неоднозначные процессы, выгорания, сбежали от низкой зарплаты (бизнесу незачем платить «джунам», они же бесполезные), да и просто достигли желаемого потолка. Ну допустим, хоть сто кандидатов пришло. Но тут в игре появляется козырь. Из-за того, что профессия высокооплачиваемая, из-за того, что дефицит – есть абсолютно левые люди, которые хотят нажиться на этом, и появляются собеседования. А мы же в общем-то не знаем как это делать. Ну то есть идея в принципе понятная, надо проверить человека на знания предметной области. Но как, если мы только вчера сами узнали, как это работает? Вот у нас их уже осталось 50, а нужно стало 150! Контракты ждать не будут, поэтому мы просто скупаем всех, кто есть на рынке, предлагаем яхту, личный самолет, молоденькую секретаршу, все что угодно, лишь бы нас не засудили заказчики. А потом ребятки пишут, что все просто, а вы раскатали губы. Нет ребятки, это вы раскатали губы. Вы такие умные и знаете, как классно это все работает, и знаете, как сделать круто, а сидите на своём месте. Придите, помогите. Я уверен, коммерсанты заплатят вам столько, что сеньоры лопнут от зависти. На самом деле можно было уложиться в одно слово: “это сложно”, но хотелось рассказать подробнее тем, кто не знал или не задумывался и т.д. В конце скажу:

Я считаю, что любому делу может обучиться любой, но два момента:

1) Зачем, когда есть его дело, в котором он точно хорош чем 99% других.

2) Это потребует усилий больше, чем другая “стандартная” профессия

Нанороботы

Большой рассказ о микропловцах (microswimmers) и микроботах – миниатюрных машинах, способных двигаться в жидкости и даже выполнять работу. Это до сих пор звучит как научная фантастика, но их время не за горами.

Начнем издалека, с истории и теории. В 1827 году шотландский ботаник. Роберт Браун, наблюдая под микроскопом неугомонное движение зерён пыльцы растений в воде, предположил, что они живые. Такое движение теперь называют броуновским. Оно, действительно, не останавливается. Действительной причиной его является хаотичное тепловое движение молекул воды, которые толкают зёрна пыльцы. Теорию Броуновского движения разработал Альберт Эйнштейн в начале XX века. Тогда это было серьёзным идейным прорывом, так как существование молекул ещё не было доказано. Согласно этой теории, броуновское движение хаотично, не имеет определённого направления, а средний квадрат смещения пропорционален времени. Это принципиально отличается от обычного прямолинейного движения, где смещение dx=vt, а квадрат смещения растёт как квадрат времени. Из этого следует, что движение живых организмов или машин будет отличаться от броуновского по двум признакам: хаотичности и росту среднеквадратичного смещения со временем. То есть можно отличить микроорганизмы от неживых частиц чисто по характеру движения. Открытие микроорганизмов относится к концу XVII в. Одним из первых их увидел голландец Антони ван Левенгук (1632-1723), который сконструировал микроскоп, увеличивающий микрообъекты в десятки и сотни раз. Уже тогда удалось обнаружить, что плавающие микроорганизмы бывают разными.

Микроорганизмы под микроскопом
Микроорганизмы под микроскопом.

Это, например, одноклеточные организмы (протисты), водоросли, бактерии. К этому можно добавить живые клетки высших организмов, например, сперматозоиды. Позже, в середине XIX века началось активное изучение микроорганизмов. Всем знакомо имя француза Луи Пастера (1822-1895). Пастер установил, что они различаются не только по внешнему виду, но и по характеру жизнедеятельности: вызывают разные химические превращения в среде. А что насчёт характера движения? Чтобы понять его, надо погрузиться в гидродинамику и рассчитать течения жидкости.

Здесь-то и начинаются сюрпризы. Течение обычных жидкостей вроде воды описывается уравнением Навье-Стокса, которое представляет собой вариант закона сохранения импульса или второго закона Ньютона: ускорение жидкости в любой точке определяется суммой сил либо конвекцией. Силы – это давление, гравитация, трение. А конвекция – это перемешивание из-за инерции. Попробуйте опустить руку в воду и повести ею. Вода будет двигаться по инерции и после того, как вы перестанете двигать рукой. Именно инерцию люди и водные животные используют при плавании. Рыбы, человек, тюлени, дельфины при плавании отталкиваются от воды: себя толкаешь вперёд, а воду – назад, и ты – движешься. Чем сильнее толчок, тем дальше уплывёшь. Корабль после остановки двигателей может проплыть сотни метров. Однако, у микроорганизмов всё не так.

Уравнение Навье - Стокса
Уравнение Навье – Стокса

Вместо инерции на мелких масштабах правят вязкость и трение. Принцип плавания зависит от того, какой вклад в уравнение доминирует. Эти вклады по разному зависят от размера системы и скоростей. Отношение вклада инерции к вкладу вязкости описывается числом Рейнольдса.

Число Рейнольдса
Число Рейнольдса

Если подставить в формулу характерные значения для человека или бактерии получаются очень разные величины. Для человека характерный размер 1 метр, скорость 1 м/c, плотность воды 1000 кг/м3, вязкость воды 0.001 Па с, Re ~ 1000000. Инерция в миллион раз важнее вязкого трения! Для кишечной палочки характерный размер 10 микрометров, скорость 10 микрометров/c, плотность воды 1000 кг/м3, вязкость воды 0.001 Па с, Re ~ 0.0001. Трение в 10000 раз важнее инерции! Человек, оттолкнувшись от берега может проплыть 5-10 метров, в разы больше длины своего тела. Если бактерия разгонится до 10 микрон в секунду и перестанет «грести», силы трения остановят её за долю секунды. Она едва ли проплывёт и нанометр (тысячную долю своей длины). Чтобы представить себе, каково плавать при Re≪1, попробуйте помешать ложкой чай, а потом мёд. Вязкость мёда в тысячи раз больше вязкости воды. Мёд прекращает двигаться как только вы останавливаете ложку, а вода движется по инерции. Для бактерий вода – как для нас смола.

Человек в акваланге.
Человек в акваланге.

Вторая большая проблема для таких малых чисел Re как у микроорганизмов – симметрия течений относительно смены знака. Это значит, что при повторении гребка задом наперёд, всё возвращается назад. Наглядная демонстрация обратимости течений – на этом видео:

Симметрия течений относительно смены знака.

Первым осознал проблему Эдвард Парселл (Нобелевка по физике за ЯМР), который занялся изучением микромира в 1970-х. Он сформулировал это в виде «теоремы гребешка» (scallop theorem):

Теорема Скаллопа

микрогребешок, который может только открывать и закрывать твёрдые скорлупки, не сможет плыть!

Парселл сделал вывод, что для плавания микробам требуется другой принцип: движения должны быть несимметричными: гребок должен отличаться от возвратного движения по форме.

Различные микроорганизмы.

Если понять это, можно сконструировать машины, выполняющие такие несимметричные движения. Парселл предложил несколько простых машин, которые смогли бы плавать и супервязких жидкостях. Некоторые из них были проверены на практике. Микроорганизмы реализуют этот принцип через гребной винт (жгутик) или реснички простейших (инфузории туфельки). Движения ресничек похожи на гребки руками в кроле. Нарушает симметрию – и жгутик, закрученный в спираль. Тогда она ввинчивается в вязкую жидкость, подобно штопору. Здесь видно, как симметрия нарушается для жгутиков и ресничек.

Структура ресничек и жгутиков оказалась настолько удачной (оптимизировалась сотни миллионов лет), что была пережила много кругов эволюции. Реснички, толкающие жидкости в нашем теле, например в бронхах, имеют почти ту же структуру, что реснички простейших одноклеточных.

Структуры жгутиков в теле человека.
Структуры жгутиков в теле человека.

После работ Парселла прошло ещё лет 20, и физики стали изобретать искусственных микропловцов. В 1990-2000-х было несколько теоретических работ, развивающих принцип несиметричного плавания. Здесь отметился и ещё один нобелевский лауреат по физике Франк Вилчек. Элегантная модель была предложена иранцами Наджафи и Голестаняном. В ней два шарика и две пружинки, которые сжимаются по очереди, а потом разжимаются. Если последовательность правильная, трение уменьшается в той части, которая идёт вперёд и увеличивается в той, что идёт назад.

Машина Парселла
Машина Парселла

В 2005-м наконец дозрели технологии и физики (Dreyfuss et al.) смастерили первого искусственного микропловца из эритроцита и полимерного жгутика, наполненного зёрнами магнитного материала. переменном магнитном поле, жгутик извивается, и это существо плывёт (хвостом вперёд)!

Способ плавания микроорганизмов.
Способ плавания микроорганизмов.

Потом последовал взрыв идей и технологий. Были предложены идеи микроботов с движущимися частями, использующие толчки, изменения формы, термофорез и диффузиофорез, ультразвуковые волны, поверхностное натяжение, магнитные элементы.

Асимметричная микрочастица.
Асимметричная микрочастица.

Самая простая и красивая идея – сделать саму микрочастицу асимметричной, например, покрыть половину поверхности катализатором. Такие структуры называют частицами Януса (по имени двуликого божества). В этом преуспели многие, в частности, Аюсман Сен из Penn State University.

Принцип реактивного движения трубки
Принцип реактивного движения трубки

Катализатор ускоряет химическую реакцию, такую как распад перекиси водорода на воду и кислород, а образующиеся на одной стороне газовые пузыри проталкивают частицу вперёд. Она начинает носиться как сумасшедшая. Можно сделать также стержни или трубки с асимметричным покрытием. Другая элегантная идея – сделать микроспираль и прикрепить к ней магнитную головку. Тогда внешнее магнитное поле сможет вращать спираль и микроботом можно будет управлять извне. Уже были попытки использовать их в медицинских целях. В этом преуспел, например, Пер Фишер.

Зачем нужна физика?

Теперь мы имеем представление о нескольких достижениях современной физики, которыми мы пользуемся ежедневно. В каждом доме можно найти технологии, над которыми лет 30-40 назад корпели очкастые ботаники, а сейчас трудится молодёжь в футболках. Полезно знать о трёх важнейший открытиях XX века. Нобелевку по физике 2014 года получили японцы Исаму Акасаки, Хироши Амано и Судзи Накамура «за изобретение эффективных синих светодиодов (LED), привёдших к появлению ярких и энергосберегающих источников белого света». Светодиоды, излучающие зелёный и красный свет, были созданы примерно полвека назад и использовались, например, как индикаторы «вкл/выкл», однако для белого света не хватало третьего компонента – синего. Три цвета вместе (красный, зелёный, синий RGB) составляют белый свет.

Разложение света на составляющие.
Разложение света на составляющие.

Японцы додумались, как вырастить кристаллы полупроводников и скомбинировать их, чтобы получить синее свечение, в конце 80-х и в 1992 году представили первый светодиод, а потом на его основе синий лазер, который позволил создать технологию BluRay. Исходная техника записи и чтения компакт дисков CD и DVD использует красный лазер. Длина волны синего лазера (405 нанометров) меньше, чем у красного (600+ нанометров), поэтому он, вроде более тонкой иглы, позволяет читать и писать более мелко и увеличить число отметок на диске
С появлением LED ламп осветительная техника переживает настоящую революцию. Светодиодные лампы потребляют в 20 раз меньше энергии при той же светимости, что у традиционных ламп накаливания, занимают меньше места, не греются, не бьются, и намного более долговечны.

Технология голубого лазера.
Технология голубого лазера.

Светодиоды используются ныне в домашних лампах, светофорах (это те, что горят ярко), световых табло, фонариках, телевизорах и прочих дисплеях, уличном освещении, фарах машин, дезинфицирующих медицинских лампах, BD проигрывателях, и любой электронике.
Без полупроводниковой электроники наша жизнь теперь немыслима. Процессоры и микросхемы есть не только в компьютерах, игровых приставках, телефонах и телевизорах, но и в автомобилях, самолётах, микроволновках, умных часах и даже чайниках.
Биполярный точечный транзистор изобрели в 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн (Нобелевка по физике 1956) в лабораториях Bell Labs. В течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем.

Кстати, американец Джон Барди́н был настоящим гением физики твёрдого тела. Он – один из четырёх человек, получивших по две Нобелевки и единственный получивший две Нобелевки по физике: вторая в 1972 году за теорию сверхпроводимости (BCS) с Купером и Шриффером.
Главная роль транзистора – усиление сигнала. Полупроводниковый транзистор намного меньше, дешевле, прочнее, долговечнее и энергоэффективнее электронных ламп, использовавшихся до этого. Самая крутая ламповая ЭВМ ENIAC содержала в себе 17468 ламп и весила 30 тонн.
Сегодня процессор смартфона много мощнее той ЭВМ. Нанотехнология позволяет нарезать транзисторы на кристалле кремния с шагом всего в несколько нанометров. Например, главный процессор iPhone 12 Apple A14 Bionic содержит 11,8 млрд транзисторов, размер наименьшего элемента 5 нм.

Благодаря совершенствованию методов обработки кристаллов, выжигания и вытравливания, сборки наноскопических микросхем, размер транзисторов с тех пор удавалось постоянно уменьшать, что в конце концов сделало возможным переносные приборы – лаптопы, планшеты, смартфоны. Что даёт уменьшение размеров транзисторов? Увеличение продолжительности работы переносных приборов, уменьшение потребления энергии компьютерами, ускорение их работы, улучшение быстродействия сенсоров в приборах и машинах, таких как беспилотные автомобили. 6 мая 2021 года фирма IBM объявила о запуске процессоров с 2-нм технологией (наименьший элемент схемы). IBM надеется, что это позволит увеличить производительность процессора на 45%, снизить энергопотребление в 4 раза по сравнению с нынешними 7-нм процессорами.

Лазер – ещё одно знакомое слово. Их так много вокруг, что мы соприкасаемся с ними десятки раз на дню. С одной стороны, лазерный луч – это просто свет или невидимая электромагнитная волна, с другой – когерентный пучок фотонов, которые колеблются синхронно, в одной фазе. Лазерный луч позволяет достичь высокой концентрации энергии в нужном месте, а так же позволяет себя фокусировать и контролировать намного лучше, чем обычный хаотический свет от нагретых тел. Другая важная особенность лазерного луча: он способен нести информацию.

Интерференция

Когерентность фотонов позволяет считать фазу волны, и из неё определить расстояние, пройденное лучом, размер или скорость предмета, от которого он отразился. Чаще всего это делают, сравнивая два луча: исходный и изменённый исследуемым объектом. Это называется интерференцией.

Одно из недавних потрясающих измерений, заслужившее Нобелевку по физике в 2017 году – регистрация гравитационных волн от столкновения чёрных дыр было сделано с помощью лазерной интерферометрии на детекторе LIGO. Премию получили Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бариш. У лазеров долгая история. В 1917 году Эйнштейн предложил теорию «вынужденного излучения», которая описала возможность создания синхронных колебаний электронов, чтобы они одновременно излучали свет одной длины волны, чем заложил теоретическую основу для создания лазера.

LIGO - гигантский интеферометр.
LIGO – гигантский интеферометр.

Только в 1951 году Чарльз Таунс смог осуществить такой прибор. В 1954 году он со своими коллегами Гербертом Цайгером и Джеймсом Гордоном показали первый в мире реально работающий лазер. Правда, тогда он назывался «мазер». Прибор генерировал очень тонкий луч света на частоте 100 Гц мощностью 10 нВт. Спустя год в 1955 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов.
В 1964 году они вместе с Таунсом получили за свои открытия Нобелевскую премию по физике. В 1956 году американский ученый Николас Блумберген из Гарвардского университета разрабатывает твердотельный мазер. До этого существовали только газовые.

Зелёный лазер - указка.
Дешёвый зелёный лазер – указка.

Применения лазеров.

Медицина:

  • бескровная хирургия, включая глазную
  • заживление ран
  • стоматология
  • удаление камней в почках

Промышленность:

  • резка материалов
  • сварка
  • разметка
  • гравировка

Военные применения:

  • наведение на цель
  • приборы слежения
  • лазерные пушки

Наука:

  • спектроскопия (определение структуры и упругости материалов)
  • определение расстояний и скоростей
  • оптические пинцеты (Нобелевка по физике 2018 Эшкин, Муру, Стрикланд)

Бизнес, офис:

  • лазерные принтеры
  • сканеры штрихкодов
  • CD/DVD/BD
  • компьютерные мышки
  • голограммы

Важное замечание. Из этих коротких рассказов не очевидно, что над технологиями и открытиями трудится множество учёных. Практически каждый нобелевский лауреат пользовался результатами многолетних исследований сотен коллег. Иногда им просто повезло быть первыми. Образ Тони Старка (Iron Man) – гения-изобретателя, хотя и выглядит завлекательно, искажает процесс исследования. Ведущие технологические компании – Apple, Intel, IBM, AMD, Samsung, Nvidia, Tesla содержат огромные лаборатории, в которых работают тысячи физиков и инженеров.